Расчет систем водоснабжения зданий с повысительными насосными установками. Задача и методика расчета. Определение расчетных расходов и расчетных напоров воды

5.1.1Задача расчета системы водоснабжения здания состоит в определении необходимого (потребного) напора в точке присоединения ввода к наружной водопроводной сети и сопоставлении результата с гарантированным напором в наружной водопроводной сети.

5.1.2Гидравлический расчет распределительной сети внутренних водопроводов производится по наибольшему расчетному секундному расходу воды.

5.1.3Для однозонной внутренней системы водопроводов жилых и общественных зданий (рисунок 1) расчеты распределительных сетей производятся на пропуск хозяйственно-питьевого и нормированного противопожарного расходов воды, при этом объединенные (хозяйственно-питьевые и противопожарные) распределительные сети внутренних водопроводов рассчитывают на пропуск расчетного пожарного расхода воды при наибольшем расчетном секундном расходе на хозяйственно-питьевые нужды.

Параметры насосов и их количество в составе ПНУ определяются из расчета обеспечения максимального секундного расхода воды и по наибольшей величине .

5.1.4В многозонных системах водоснабжения зданий для каждой зоны определяют расчетные расходы и потребные напоры, в зависимости от принятой схемы (рисунок 2 и 3), и по их значениям подбирают повысительные насосы в составе ПНУ.

5.1.5Распределительные сети внутренней системы водопровода подключенные к двум вводам наружной водопроводной сети, рассчитывают с учетом выключения одного из вводов.

При двух вводах каждый из них должен быть рассчитан на пропуск 100 % расчетного расхода воды, при большем количестве вводов – на пропуск 50 % расхода воды. Гидравлический расчет при двух вводах производится на пропуск расчетного расхода воды от одного ввода, наиболее удаленного от самой неблагоприятной точки водоразбора (наиболее отдаленной и высокорасположенной с наибольшим необходимым свободным напором диктующей точки).

5.1.6Диаметры труб распределительной сети внутренней системы водопровода назначают из расчета наибольшего использования наружной водопроводной сети. Диаметры трубопроводов кольцующих перемычек принимаются по наибольшему диаметру водоразборного стояка или больше.

5.1.7Скорость движения воды в трубах при пропуске хозяйственно-питьевого расхода следует принимать в пределах 1,0–1,7 м/с – при питании от наружной водопроводной сети и менее 1,0 м/с при питании от напорных резервуаров (баков) запаса воды.

5.1.8Расчет внутренней системы водопровода здания выполняют в следующей последовательности:

-по генплану участка, планам типового этажа, технического этажа (при наличие) и подвала здания строят расчетную аксонометрическую схему внутреннего водопровода, на которой определяют расчетную (диктующую) точку и намечают расчетное направление движение воды от точки присоединения ввода к наружной сети до расчетной точки;

-расчетное направление разбивают на расчетные участки;

-определяют расчетные расходы воды, поступающей к потребителям в расчетных точках;

-по расчетным расходам подбирают диаметры трубопроводов, учитывая рекомендуемые скорости движения воды в них;

-по расчетным расходам и диаметрам определяют потери напора во всех элементах распределительной сети внутренней системы водопровода;

-сравнивают потери напора с давлением в наружной водопроводной сети и определяют необходимость установки повысительных насосов (ПНУ).

5.1.9Максимальный секундный расход воды на расчетном участке распределительной сети определяется по формуле:

, (5)

где q – максимальный секундный расход, л/с;

– секундный расход воды водоразборной арматурой (прибором), отнесенный к одному прибору.

Примечание - В жилых и общественных зданиях, по которым отсутствуют сведения о расходах воды и технических характеристиках санитарно-технических приборов, допускается принимать = 0,2 л/с; – коэффициент, определяемый в зависимости от общего числа приборов на расчетном участке сети и вероятности их действия , вычисляемой по формуле (6) : при > 0,1 и ≤ 200 значение определяется по таблице Б 1 (Приложения Б), при других и значение принимается по таблице Б 2 (Приложения Б).

5.1.10Вероятность действия санитарно-технических приборов на участках распределительной сети при одинаковых водопотребителях в здании определяется по формуле:

, (6)

где – норма расхода воды потребителем в час наибольшего водопотребления, л/ч;

– число водопотребителей;

– число водоразборной арматуры на участке.

Примечание - норма расхода холодной воды на 1 жителя в жилых домах квартирного типа составляет 5,6 л/ч. При отсутствии данных о числе санитарно-технических приборов в зданиях значение допускается определять принимая .

5.1.11Максимальный часовой расход воды следует определять по формуле:

, (7)

где – максимальный часовой расход воды, м³/ч;

– часовой расход воды водоразборной арматурой, л/ч;

– коэффициент, определяемый по таблице Ж 2 (Приложения Ж) в зависимости от общего числа приборов , обслуживаемых системой, и вероятности их использования , вычисляемой по формуле (8).

Примечание – в жилых и общественных зданиях, по которым отсутствуют сведения о числе и технических характеристиках санитарно-технических приборов, допускается принимать = 200 л/ч.

5.1.12Вероятность использования санитарно-технических приборов для системы водоснабжения здания в целом следует определять по формуле:

, (8)

где P – вероятность действия санитарно-технических приборов на участках сети при одинаковых водопотребителях в здании;

– секундный расход воды водоразборной арматурой (прибором), отнесенный к одному прибору;

– часовой расход воды водоразборной арматурой, л/ч.

5.1.13Для жилых и общественных зданий необходимость устройства внутреннего противопожарного водопровода, а также расходы воды на пожаротушение следует принимать руководствуясь действующими нормами по противопожанрной защите зданий.

5.1.14Необходимый (потребный) напор определяется по формуле:

, (9)

где – необходимый (потребный напор), м;

– геометрическая высота подачи воды, м, от поверхности земли в точке присоединения ввода к наружной сети (над точкой врезки в городскую сеть) до оси наиболее высокорасположенного (диктующего) водоразборного прибора;

– сумма потерь напора, м;

– нормированный свободный напор расчетного водоразборного прибора, м.

5.1.15Сумма потерь напора определяется по формуле:

, (10)

где – сумма потерь напора, м;

– потери напора по длине, м;

– потери напора в местных сопротивлениях, м;

– потери напора в водосчетчике, м;

Примечание – ; – гидравлический уклон; -длина расчетного участка, м;

; – коэффициент, учитывающий потери напора в местных сопротивлениях, следует принимать: 0,3 – в сетях хозяйственно-питьевых водопроводах жилых и общественных зданий; 0,2 – в сетях объединенных хозяйственно-противопожарных водопроводах; 0,1 – в сетях противопожарных водопроводах;

; – гидравлическое сопротивление счетчика; – расчетный расход воды, формула (5). Потери напора в счетчике не должны превышать: в крыльчатых счетчиках холодной воды 5 м, турбинных – 2,5 м, а при пожаре – 10 м.

5.1.16При объединении стояков в секционные узлы потери напора в узле , м, следует определять по формуле

(11)

где – коэффициент, учитывающий характер водоразбора в системе, принимаемый 0,5 – для систем хозяйственного водопровода и 0,3 – для объединенных систем хозяйственно-противопожарного водопровода;

-длина расчетного участка, м;

– коэффициент, учитывающий потери напора в местных сопротивлениях;

– число стояков в узле.

5.1.17Максимальный напор, развиваемый ПНУ, следует определять с учетом наименьшего гарантированного напора, в наружной водопроводной сети по формуле:

, (12)

где – максимальный напор, м;

– наименьший гарантированный напор, м;

– потери напора в насосной установке, м.

Подбор насосов. Определение типа повысительной насосной установки (частотное регулирование и параллельная работа). Вопросы энергоэффективности при установке повысительных насосных установок

5.2.1Наиболее распространенными методами регулирования рабочих параметров насоса являются: дроссельное регулирование, регулирование байпасом, коррекция диаметра рабочего колеса и регулирование скорости вращения (частоты вращения), Обзор методов изменения (регулирования) параметров насоса приведен в Приложении В (таблица В1).

5.2.2Применение дроссельного регулирования и регулирования байпасом при работе ПНУ в с системах водоснабжения здания должно быть исключено. При дроссельном регулировании и регулировании байпасом в системах водоснабжения следует учитывать, что итоговый КПД значительно снижается, относительная потребляемая мощность на единицу подачи в систему увеличивается, происходит непроизводительная потеря энергии.

5.2.3Для систем водоснабжения зданийс учетом характера эксплуатации ПНУ, когда насосная установка подает воду непосредственно потребителям, состав и уровень потребностей которых постоянно изменяется, в обеспечение необходимого уровня энергоэффективности обязательно применение метода частотного регулирования скорости вращения электродвигателя насоса.

5.2.4Частотное регулирование и параллельная работа насосов. При проектировании следует учитывать, что при ЧРП насос не сохраняет постоянства КПД даже на параболах подобных режимов (рисунок 11), так как с увеличением частоты вращения возрастают скорости потока и пропорционально квадратам скоростей гидравлические потери в проточной части насоса. С другой стороны, механические потери сказываются сильнее при малых значениях скорости, т. е. когда мощность насоса мала. КПД достигает максимума при расчетном значении частоты вращения . При других , меньших или больших , КПД будет уменьшаться по мере увеличения отклонения от .

Примечание - Парабола подобных режимов – геометрическое место точек, определяющих при различных частотах вращения (скоростях) режимы работы насоса, подобные режиму в точке . Точки образуют параболу подобных режимов с вершиной в начале координат, описываемую уравнением

. (13)

Пересчет иной точки характеристики при частоте вращения на частоты даст точки , определяющие соответственно параболу подобных режимов . Каждая из парабол подобных режимов условно являются линией постоянного КПД. Это положение – основа использования в насосных системах ЧРП, одного из основных способов оптимизации режимов работы НС.

С учетом характера изменения КПД при изменении скорости, отмечая на характеристиках , , …, точки с равными значениями КПД, при соединении их кривыми будет получена универсальная характеристика (рисунок 11), определяющую работу насоса при переменных частотах вращения, КПД и мощности насоса для любой режимной точки.

1 - параболы подобных режимов; 2 - универсальная характеристика насоса;

3 - КПД ПЧТ при функциональном изменении частоты выходного тока

Рисунок 11 – Регулирование частоты вращения электродвигателя насоса с помощью преобразователя частоты

5.2.5Кроме снижения КПД насоса при ЧРП следует учитывать снижение КПД электродвигателя вследствие работы ПЧТ, имеющее две составляющие: во-первых, внутренние потери ПЧТ и, во-вторых, потери на гармониках в регулируемом электродвигателе (обусловлены несовершенством синусоидальной волны тока ЧРП).

Примечание - КПД современного ПЧТ при номинальной частоте переменного тока составляет 95 – 98 %, при функциональном снижении частоты выходного тока КПД ПЧТ снижается (рисунок 11). Потери в двигателях на гармониках, производимых при ЧРП (и варьируемых от 5 до 10 %), приводят к нагреву двигателя и соответствующему ухудшению характеристик, в результате КПД двигателя падает еще на 0,5 – 1 %.

Обобщенная картина «конструктивных» потерь КПД насосного агрегата при ЧРП, приводящих к росту удельного энергопотребления, представлена на рисунке 12 – снижение скорости до 60% от номинальной уменьшает на 11 % относительно оптимального (даже при рабочих точках на параболе подобных режимов с максимальным КПД). Потребление электроэнергии снизилось с 3,16 до 0.73 кВт, т.е. на 77%. Эффективность при снижении скорости обеспечивается уменьшением полезной и, соответственно, потребляемой мощности. Таким образом, снижение КПД агрегата в связи с «конструктивными» потерями приводит к росту удельного энергопотребления даже при работе вблизи точек с максимальным КПД.

«Конструктивные» потери при ЧРП составляют максимальную часть потерь КПД в закрытых системах (в отличии от открытых систем), т.к. характеристика закрытой системы близка к параболе подобных режимов, проходящей через точки максимальных КПД для различных частот вращения, т.к. обе кривые однозначно имеют вершину в начале координат.

5.2.6Относительные энергозатраты и эффективность ЧРП зависят от условий эксплуатации (типа системы и параметров ее характеристики, положения рабочих точек на насосных кривых относительно максимума КПД), а также от критерия и условий регулирования.

Рисунок 12 – «Конструктивные» потери КПД насосного агрегата

в сборе при ЧРП.

5.2.7Характеристика открытых систем водоснабжения имеет ряд особенностей, которые приводят к существенному различию вариантов, что должно учитываться при определении типа ПНУ (необходимости ЧРП и определении количества рабочих насосов).

В системе водоснабжения, работа которой обеспечивается повысительным насосом, невозможно регулировать его скорость в однозначном соответствии с текущим водопотреблением, сохраняя положение рабочих точек (при таком изменении скорости) на фиксированной параболе подобных режимов, проходящей через точки с максимальным КПД.

Примечание - Во-первых, вершина характеристики системы зачастую не совпадает с началом координат из-за различной статической составляющей напора (рисунок 13-1). Потребный статический напор чаще положителен (рисунок 13-1 – кривая 1) и необходим для подъема воды на геометрическую высоту в системе 1-го типа (рисунок 6), но может быть и отрицательным (рисунок 13-1 – кривая 3) – когда подпор на входе в систему 2-го типа превышает потребный геометрический напор (рисунок 7). Хотя нулевой статический напор (рисунок 13-1 – кривая 2) также возможен (например, при равенстве подпора потребному геометрическому напору).

Во-вторых, характеристики большинства систем водоснабжения постоянно изменяются во времени. Это относится к перемещениям вершины характеристики распределительной сети системы по оси напора, объясняясь изменениями величины подпора или величины потребного геометрического напора. Для ряда таких сетей в силу постоянного изменения количества и расположения фактических точек потребления в пространстве сети происходит смена положения диктующей точки в поле , означающая новое состояние распределительной сети (системы), описываемое новой характеристикой с другой кривизной параболы.

Рисунок 13 – КПД и удельные энергозатраты при регулировании скорости
в зависимости от типа открытой системы, параметров ее характеристики
и положения рабочей точки относительно максимума КПД

5.2.8При проектировании следует учитывать, что более существенно снижение КПД при ЧРП в соответствии с характеристикой распределительной сети проявляется в случае значительной статической напорной составляющей (рисунок 13-1, кривая 1). При снижении скорости (из-за снижения частоты тока, например с 50 до 35 Гц) точка пересечения характеристик насоса и распределительной сети (системы) сместится влево. Соответствующее смещение на кривых КПД приведет в зону меньших значений (рисунок 13-2, точки для кривой 1).

Примечание – Оценка эффективности ЧРП по удельной энергии на перекачку 1 м³ (рисунок 13-3). В сравнении с дискретным управлением (D) регулирование скорости имеет смысл в сети С – с относительно малым геометрическим напором и значительной динамической составляющей (потерями на трение). В сети B геометрическая и динамическая составляющие значительны, регулирование скорости эффективно на определенном интервале подач. В сети А с большой высотой подъема и малой динамической составляющей (менее 20% от потребного напора) применение ЧРП с точки зрения энергозатрат нецелесообразно. Задача повышения напора на конечных участках водопроводной сети решается в системах смешанного типа (B), что требует предметного обоснования применения ЧРП для повышения энергоэффективности.

5.2.8 В случае применения стандартного насосного оборудования с целью повышения надежности и долговечности ПНУ не следует предусматривать возможность длительной работы насосов с увеличенной скоростью вращения (с частотой регулирования выше номинала 50 ГЦ).

Примечание – Технически, регулирование скорости позволяет расширить диапазон работы насоса вверх от номинальной характеристики . Однако, в этом случае подбор насоса следует выполнять таким образом, чтобы обеспечить максимальное время его работы на номинальной характеристике (с максимальным КПД). при снижении подачи скорость насоса (ЧРП) снижать относительно номинальной, а при увеличении – увеличивать (за счет частоты тока выше номинала), может привести, кроме необходимости учета мощность электродвигателя, к сокращению срока службы стандартного насоса.

5.2.9Следует считать правилом применение в системах водоснабжения жилых и общественных зданий (относящихся к пространственным системам водоснабжения) управление работой ПНУ по критерию поддержания постоянного давления (рисунок 14).

1 - изменчивость системы; 2 - общая схема; 3 - рабочие точки и характеристики

Рисунок 14 – Регулирование скорости насоса по критерию постоянного давления

Примечание - При управление по критерию постоянного давления в режимах сниженного расхода частично сохраняются избыточные напоры, которые тем больше, чем левее рабочая точка находится на линии постоянного давления. Управление режимом работы ПНУ по характеристике распределительной сети, снижающее избыточные напоры и соответствующий перерасход энергии, основано на определении потребного напора по текущему значению меняющегося расхода, что затруднительно из-за многообразия возможных положений диктующей точки в текущем (моментальном) состоянии системы (при изменении количества и расположения мест потребления в сети здания, а также расхода в них) и вершины характеристики распределительной сети на оси напора (рисунок 14-1). До массового применения средств КИПиА и передачи данных возможна «аппроксимация» управления по характеристике на основе частных для сети конкретного здания предположений, задающих набор диктующих точек или ограничивающих сверху характеристику распределительной сети в зависимости от расхода. Частным случаем подхода следует считать 2-позиционное регулирование выходного давления ПНУ (день/ночь).

Применение пропорционального регулирования (сокращение напора на выходе ПНУ при сокращении потребления воды и наоборот, увеличение напора на выходе ПНУ при увеличении потребления воды) следует считать перспективным способом регулирования работы ПНУ. Такой способ регулирования должен обеспечиваться разработкой в проекте соответствующей модели водопотребления (исчерпывающей все возможные режимы распределительной сети во всех точках потребления воды) с целью исключения ситуаций неустойчивости водоснабжения на части водоразборных приборов потребителей. Проектом также должны быть определены способы диагностирования системой управления аварийных режимов, приводящих к необоснованному увеличению расхода (например, при скрытых утечках и порывах труб).

5.2.10 При выборе компоновочных решений ПНУ следует учитывать, что при уменьшении частоты вращения рабочего колеса, снижение КПД как правило, усиливается (в случае соответствия максимума КПД точке пересечения характеристики насоса при номинальной частоте и линии установленного постоянного давления). Основываясь на реальной эффективности ЧРП для конкретной системы водоснабжения здания, при разработке проектного решения по ПНУ следует сопоставлять и/или сочетать способ ЧРП с другим способом снижения энергозатрат при работе ПНУ – уменьшением номиналов подачи и/или напора в расчете на один насос (при общем увеличении их количества в составе ПНУ).

Примечание – Схемы параллельно и последовательно соединенных насосов, обеспечивающие значительное количество рабочих точек в широком диапазоне напоров и подач, изображены на рисунке 15.

1 - схема соединения; 2 - график совместной работы насосов и водовода

Рисунок 15 – Последовательно-параллельное соединение насосов

5.2.11 Оптимальное совмещение применения ЧРП с работой ряда параллельных насосов в составе ПНУ (ступенчатым или каскадным регулированием), кроме снижения эксплуатационных энергозатрат, должно обеспечить снижение мощности ПЧТ (и соответственно стоимости), снижение установочной мощности (количество резервных насосов не меняется, а номинальное значение потребляемой мощности в расчете на один насос снижается), а также высокую комфортность водоснабжения для потребителей за счет плавного пуска/останова и стабильного напора.

5.2.12 Совмещение ЧРП со ступенчатым регулированием (рисунок 16-1) позволяет перекрыть необходимую часть поля рабочей зоны . В ходе проектирования следует обеспечить такой оптимальный подбор ПНУ, чтобы на большей части рабочей зоны, и в первую очередь, на линии контролируемого постоянного давления (напора), обеспечивалось максимальное КПД большинства насосов и насосной установки в целом.

Примечание – Целесообразность оснащения каждого насоса в составе ПНУ своим ПЧТ (применение насосов с интегрированными ПЧТ или установка соответствующего количества ПЧТ в шкаф управления ПНУ) определяется проектом. Такое решение увеличивает возможное пространство расположения рабочих точек для ПНУ, что целесообразно исключительно при реальном применении полноценного пропорционального регулирования. При управлении по постоянному давлению увеличения пространства расположения рабочих точек для корректной работы ПНУ не требуется. Установка, оснащенная одним ПЧТ, будет работать аналогично установке, каждый насос которой оснащен ПЧТ. При правильном подборе (максимум КПД соответствует точке пересечения основной характеристики насоса и линии постоянного давления) КПД насоса, работающего на номинальной частоте (в зоне максимума КПД), будет выше общего КПД двух таких же насосов, обеспечивающих ту же рабочую точку при работе каждого из них с пониженной скоростью (рисунок 16-3).

1 - регулирование по постоянному давлению; 2 - КПД 2-х насосов, оснащенных ПЧТ (вариант); 3 - КПД насоса в ПНУ, оснащенной одним ПЧТ (вариант)

Рисунок 16 – Графики параллельной работы насосов совместно с ЧРП

5.2.13Алгоритм работы ПНУ при совмещении ЧРП и ступенчатого регулирования. Если рабочая точка лежит за пределами характеристики одного (двух и т.д.) насоса, то тогда один (два и т.д.) насос будет работать в «сетевом» режиме, имея рабочую точку на пересечении характеристики насоса и линии постоянного давления (при максимумальном КПД). Один из насосов – второй (третий и т.д.) – будет работать с ПЧТ, его скорость будет регулироваться согласно текущему требованию системы по подаче, обеспечивая соответствующую локализацию рабочей точки ПНУ на линии постоянного давления (при более низком КПД).

5.2.14Необходимо так подбирать насосы в составе ПНУ, чтобы линия постоянного давления, определяющая и рабочую точку с максимальным КПД, пересекалась с напорной осью как можно выше относительно линий характеристик насоса, определенных для пониженных скоростей.

Примечание – Данное требование корреспондируется с положением о применении в составе ПНУ насосов со стабильными и пологими характеристиками (с более низким коэффициентом быстроходности).

С другой стороны, подбор ПНУ при условии «один насос рабочий…» приводит к тому, что весь диапазон подачи обеспечивается одним насосом (рабочим в данный момент) с регулируемой скоростью. Б о льшую часть времени насос работает с подачей меньше номинальной и, соответственно, при низком КПД, с соответствующим перерасходом электроэнергии. Снижается надежность и долговечность насосов (из-за частого выхода на минимум допустимого диапазона подачи). Использование ЧРП при избыточности большинства вновь устанавливаемых насосов в составе ПНУ зданий не обеспечивает увеличение КПД и не устраняет перерасход электроэнергии.

5.2.15 Вопрос количества рабочих насосов в составе ПНУ следует решать исходя из оптимизация ПНУ в части энергозатрат и повышения надежности работы. С учетом результатов анализа действующих повысительных насосных систем, в обеспечение сокращения энергоемкости и стоимости жизненного цикла ПНУ, рекомендуется, как правило, определять число рабочих насосов в составе ПНУ не менее трех.

Дата добавления: 2015-07-19